《定向钻进》PPT课件.ppt

定 向 钻 进,Directional Drilling,2012年9月,本课程主要讲述内容,绪论第一章 定向钻孔轨迹设计,第三章 定向钻井技术手段,第二章 定向钻孔施工工艺,第四章 造斜工具定向方法,第五章 定向钻孔轨迹预测,李世忠 钻探工艺学 地质出版社吴光琳 定向钻进原理 成都科大出版社江天寿、周铁芳 受控定向钻探技术 地质出版社苏义脑 井下控制工程学研究进展 石油工业出版社苏义脑 螺杆钻具研究及应用 石油工业出版社王亚伟等 分枝井钻井完井技术 石油工业出版社,本课程主要参考书,主要参考书,中文期刊 探矿工程、西部探矿工程、地质与勘探、煤田地质与勘探国外钻井技术、石油钻采工艺、石油钻探技术、矿大学报、地大学报、石油大学学报、吉林大学学报等外文期刊 DrillingIndustrial Diamond Review IDR Mining Journal有关会议论文集,绪 论,定向钻井的发展情况定向钻进的特点定向钻进的使用范围,绪 论,一、定向钻井的发展情况,1930年，美国California Huntington Beach 施工两口深入海底的定向井；,1933年，美国California Long Beach Signal Hill 油田又打了几口定向井，开采Sunnyside Cemetery下方的石油；定向钻进技术在美国近海油田油井钻进中获得广泛应用；,1941年，出现涡轮钻turbodrill，前苏联成功打出定向井；,50年代，丛式钻井技术大大地发展；,绪 论,一、定向钻井的发展情况,60年代，海上平台定向井迅速发展，Gulf of Mexico、North Sea 等油田勘探与开发，一个平台钻1836口井；,70年代，多品种螺杆钻具出现，如戴纳钻（Dyna drill）、纳维钻（Navi drill）、贝壳钻（Baker drill）、克里斯坦森（Christensen）、Smith等公司螺杆钻具；,80年代，为准确控制定向井井身轨迹，提高中靶精度，随钻测量技术（Measurement While Drilling）出现，并广泛应用。由于电子计算机广泛应用，出现计算机辅助钻进（Computer Aids Drilling）。,绪 论,一、定向钻井的发展情况,固体矿产定向钻进,50年代，美国才使用造斜楔whipstock；,60年代，前苏联成功研制各类型连续造斜器。,绪 论,一、定向钻井的发展情况,我国定向钻进始于五十年代。,1956年，玉门油田钻成第一口定向井；,60年代，四川油田采用多种型式涡轮钻定向钻进试验；,70年代，海洋定向钻进迅速发展，渤海油田打丛式井，一个平台施工多达12口定向井。,绪 论,一、定向钻井的发展情况,国内固体矿产勘探方面,1956年，江西德兴铅锌矿施工一批初级定向孔；,6070年代，原地矿部广东705队、黑龙江四队、云南三队等单位打了更多的自然定向孔和部分人工定向孔；,80年代，分别在安徽、江西、贵州等的矿区试验获得成功。,定向钻进技术起源于上世纪三十年代的美国。,海上石油的勘探开发陆地矿产勘探各种工程施工,材料科学电子计算机传感器技术,计算机辅助钻进(CAD)孔底动力机(down-hole motor)随钻测量(MWD),绪 论,绪 论,二、定向钻进的特点,1、定向钻进定义,采用一定的技术手段，按照一定的设计轨迹，达到预定的钻探目标，叫定向钻进。,技术手段,地层自然造斜规律,人工造斜工具,地层自然造斜和人工造斜工具结合,绪 论,二、定向钻进的特点,1、定向钻进定义,采用一定的技术手段，按照一定的设计轨迹，达到预定的钻探目标，叫定向钻进。,设计轨迹,直线,曲线,直线+曲线,平面型,空间型,绪 论,二、定向钻进的特点,1、定向钻进定义,采用一定的技术手段，按照一定的设计轨迹，达到预定的钻探目标，叫定向钻进。,目标即靶区。,靶区的形状可以是圆形、正方形、长方形。,绪 论,二、定向钻进的特点,2、定向钻进优点,（1）缩短钻探周期，节省钻探工作量；,（6）多采集岩矿心，补取岩矿心。,（2）确保地质质量；,（3）实现一基多孔、一孔多枝，大大节省准备费用；,（4）减少在复杂地层中钻进，避免重复穿过复杂地层；,（5）减少控制孔斜费用；,绪 论,二、定向钻进的特点,3、定向钻进存在问题,（5）增加管理难度。,（1）造斜时间长增加工序；,（2）降低钻进速度；,（3）增加钻杆柱磨损，钻杆柱易折断；,（4）造斜费用高；,绪 论,三、定向钻进的使用范围,1、地表条件要求,（3）高山、深谷等无法平整场地。,（1）勘探埋藏在湖泊、沼泽、城镇、大型建筑物下部物体；,（2）海上进行钻探，充分利用平台；,绪 论,三、定向钻进的使用范围,2、地下条件要求,（3）在强造斜地层中将斜就斜；,（1）勘探陡斜矿体；,（2）避免重复穿过复杂地层；,（5）孔深、勘探网度密。,（4）矿层与围岩产状相反，必须采用人工强制措施；,绪 论,三、定向钻进的使用范围,3、工程技术需要,（3）增加矿心量、出水量、出油量或出气量；,（1）补取岩矿心；,（2）避免孔报废，绕过孔内事故孔段；,（5）敷设地下电缆或管道；,（4）打控井喷、灭火等救援井；,（7）地下核爆破取样。,（6）特殊要求的注浆孔；,第一章 定向钻孔轨迹设计,第一章 定向钻孔轨迹设计,第一节 定向钻孔的空间要素,第二节 定向钻孔的类型和孔身轨迹形式,第三节 定向钻孔孔身轨迹设计的原则和内容,第四节 初级定向孔孔身轨迹设计方法,第五节 受控定向孔孔身轨迹设计方法,第一章 定向钻孔轨迹设计,第一节 定向钻孔的空间要素,一、空间要素,定向钻孔的空间要素,钻孔轴线各点的顶角、方位角、孔深,见矿点（靶点）的垂深和水平位移,曲线段的曲率和弯曲强度,钻孔轴线的遇层角,第一章 定向钻孔轨迹设计,第一节 定向钻孔的空间要素,一、空间要素,1、基本要素,定向钻孔轴线各点的顶角、方位角和孔深称为基本要素。,在三维坐标系中，原点O代表开孔点；X轴代表南北方向；Y轴代表东西方向；Z轴指地一下方向。,第一章 定向钻孔轨迹设计,第一节 定向钻孔的空间要素,一、空间要素,1、基本要素,定向钻孔轴线各点的顶角、方位角和孔深称为基本要素。,顶角,drift angle,钻孔轴线上某点沿轴线延伸方向的切线与铅垂线之间的夹角。,方位角,azimuth,钻孔轴线上某点沿轴线延伸方向切线水平投影与正北方向之间的夹角，并从正北方向起按顺时针方向计算。,孔深,depth of hole,钻孔轴线延伸的长度。,第一章 定向钻孔轨迹设计,第一节 定向钻孔的空间要素,一、空间要素,2、垂深和水平位移,垂深,目标点在Z轴上的投影长度。,水平位移,目标点在水平面上投影点与孔口距离。,靶点垂深和水平位移：,把目标点改成靶点即可。,第一章 定向钻孔轨迹设计,第一节 定向钻孔的空间要素,二、孔身轴线形式,1、,变化；,也变化,孔身轴线为空间曲线。,特例：倾斜平面内曲线。,2、,变化；,不变化,孔身轴线为平面曲线。,垂直平面内曲线,3、,不变；,变化,孔身轴线为螺旋线。,特例：水平平面内曲线,4、,不变；,也不变,孔身轴线为直线。,第一章 定向钻孔轨迹设计,第一节 定向钻孔的空间要素,三、孔身轴线弯曲强度或曲率,弯曲强度与曲率概念相同，都反映单位长度上角度变化。,是为了说明定向孔曲线段的弯曲程度。,1、顶角弯强,drift deviation intensity,单位孔身长度上顶角的变化量。,表征钻孔顶角弯曲的强烈程度。,（/m）,A、B两点顶角的增量,A、B两点弯曲孔段的长度,第一章 定向钻孔轨迹设计,第一节 定向钻孔的空间要素,三、孔身轴线弯曲强度或曲率,弯曲强度与曲率概念相同，都反映单位长度上角度变化。,是为了说明定向孔曲线段的弯曲程度。,2、方位弯强,deviation intensity of azimuth,单位孔身长度的方位角变化量。,表征钻孔方位弯曲的强烈程度。,（/m）,A、B两点方位角的增量,A、B两点弯曲孔段的长度,第一章 定向钻孔轨迹设计,第一节 定向钻孔的空间要素,三、孔身轴线弯曲强度或曲率,弯曲强度与曲率概念相同，都反映单位长度上角度变化。,是为了说明定向孔曲线段的弯曲程度。,2、全弯强,total deviation intensity,单位孔身长度的全弯曲角变化量。,（/m）,第一章 定向钻孔轨迹设计,第一节 定向钻孔的空间要素,四、钻孔轴线遇层角,angle of penetration,钻孔轴线靶点（见矿点）的切线与其在矿层面上的投影所夹的锐角。,地质要求钻孔遇层角一般不小于30。,第一章 定向钻孔轨迹设计,第二节 定向钻孔的类型和孔身轨迹形式,一、定向钻孔的类型,1、按施工技术和方法不同分类,（1）初级定向孔,（自然造斜定向孔）,preliminary directional hole,特点：常规技术和工艺钻进；利用岩层自然造斜趋势；移动孔口位置；改变开孔顶角或方位角。,适应于岩层强造斜作用，孔斜趋势明显矿区。,第一章 定向钻孔轨迹设计,第二节 定向钻孔的类型和孔身轨迹形式,一、定向钻孔的类型,1、按施工技术和方法不同分类,（2）受控定向孔,controlled directional hole,适应于岩层无造斜作用或造斜作用不够，以及克服造斜影响的矿区。,特点：采用人工造斜手段和工艺措施，钻达目的层的钻孔，需采用专门的定向造斜工具和配套技术。,（人工造斜定向孔）,第一章 定向钻孔轨迹设计,第二节 定向钻孔的类型和孔身轨迹形式,一、定向钻孔的类型,2、按钻孔轴线不同分类,（1）直线型定向孔,孔身按直线轨迹延伸，顶角、方位角受严格控制的钻孔。,（2）平面弯曲型定向孔,孔身轨迹在某一个平面内延伸的钻孔。,（3）空间弯曲型定向孔,孔身轨迹某段在某一个曲面上延伸的钻孔。,此类钻孔适应于岩层造斜作用强烈，钻孔顶角和方位角自然弯曲都很明显矿区。,第一章 定向钻孔轨迹设计,第二节 定向钻孔的类型和孔身轨迹形式,一、定向钻孔的类型,3、按钻孔有无分枝分类,（1）单孔底定向孔,只有主孔而无分枝孔的定向孔。,常用于自然造斜的初级定向孔，利用小顶角开孔获得较大的遇层角、绕开孔内障碍物、纠斜。,第一章 定向钻孔轨迹设计,第二节 定向钻孔的类型和孔身轨迹形式,一、定向钻孔的类型,3、按钻孔有无分枝分类,（2）多孔底定向孔,既有主孔、又有一个以上的分枝孔的定向孔。,如：单向羽状孔、双向羽状孔、多向集束孔、多级分枝定向孔。,第一章 定向钻孔轨迹设计,第二节 定向钻孔的类型和孔身轨迹形式,一、定向钻孔的类型,3、按钻孔有无分枝分类,（2）多孔底定向孔,多级分枝定向孔,单向羽状孔,双向羽状孔,多向集束孔,第一章 定向钻孔轨迹设计,第二节 定向钻孔的类型和孔身轨迹形式,二、孔身轨迹形式,初级定向孔,平面曲线或空间曲线,受控定向孔,平面曲线,垂直平面倾斜平面水平平面,轨迹由直线段、曲线段、折线段组成。,垂直线、直线段、斜直线,半径单一圆弧或曲率半径不同的圆弧组成的弧线,第一章 定向钻孔轨迹设计,第二节 定向钻孔的类型和孔身轨迹形式,二、孔身轨迹形式,孔身轨迹常见形式：,（1）直线曲线形式,上直下弯状,曲线段，利用自然造斜或人工造斜钻达靶区。,开孔施工直线段,第一章 定向钻孔轨迹设计,第二节 定向钻孔的类型和孔身轨迹形式,二、孔身轨迹形式,孔身轨迹常见形式：,（2）直线曲线直线形式,直弯直型,稳斜钻进到靶点是往下打直线段,稳斜段,造斜段,第一章 定向钻孔轨迹设计,第二节 定向钻孔的类型和孔身轨迹形式,二、孔身轨迹形式,孔身轨迹常见形式：,（3）直线曲线曲线形式,直弯弯型,第一造斜段,第二造斜段,人工造斜分成两次或后一次造斜利用自然造斜打目的层。,这种轨迹可获得较大的终孔顶角。,第一章 定向钻孔轨迹设计,第二节 定向钻孔的类型和孔身轨迹形式,二、孔身轨迹形式,孔身轨迹常见形式：,（4）直线曲线直线曲线直线形式,直弯直弯直型,增斜孔段,稳斜孔段,降斜孔段,直线孔段,直线孔段,主要用来施工探采结合油层的丛式井，以及特殊要求的集束孔。,第一章 定向钻孔轨迹设计,第三节 定向钻孔孔身轨迹设计的原则和内容,一、设计的一般原则,1、充分掌握原始资料,（1）施工区的地质情况,（2）地表地形情况,（3）已完工钻孔测斜资料,（4）以往防斜、造斜使用效果,（5）已完工钻孔结构、钻进方法及护壁堵漏情况,第一章 定向钻孔轨迹设计,第三节 定向钻孔孔身轨迹设计的原则和内容,一、设计的一般原则,1、充分掌握原始资料,2、确保地质目的和工程需要,3、尽量利用自然造斜规律,4、考虑施工方便和安全钻进,5、注重经济效益,第一章 定向钻孔轨迹设计,第三节 定向钻孔孔身轨迹设计的原则和内容,二、设计的主要内容,1、选择孔身剖面,孔身剖面决定于,钻孔的目的和作用,经济性,地质条件,造斜规律,施工技术的可能性,安全性,优先考虑,初级定向孔，一孔多底，钻孔轨迹简单在垂直平面内。,第一章 定向钻孔轨迹设计,第三节 定向钻孔孔身轨迹设计的原则和内容,二、设计的主要内容,2、确定定向钻孔靶点、靶区和遇层角,钻孔靶点、靶区和遇层角由地质部门或工程委托方提出。,靶区形状、大小、位置按施工目的确定。,3、确定主孔和分枝孔的施工方案,主孔：首先穿越目的层的钻孔。,分枝孔：从主孔中某点开始分岔，穿越目的层的钻孔。,施工方案,（1）从上往下：,分枝孔在主孔之下,（2）从下往上：,分枝孔在主孔之上,第一章 定向钻孔轨迹设计,第三节 定向钻孔孔身轨迹设计的原则和内容,二、设计的主要内容,4、确定造斜点和分枝点,造斜点：指同一孔身中由直线段变为曲线段的起点。,分枝点：是指从主孔中开出分枝孔的起点。,造斜点和分枝点选择在岩石中硬完整的孔段。,可钻性78级,上下两造斜点间距大于15。,造斜点和分枝点选择要考虑节约更多的进尺，,更要考虑分枝孔造斜段造斜和钻进可行性与经济性。,第一章 定向钻孔轨迹设计,第三节 定向钻孔孔身轨迹设计的原则和内容,二、设计的主要内容,5、确定定向孔曲线段的曲率半径,定向孔曲线段曲率半径由岩层造斜强度、造斜工具的造斜能力或两者综合作用所决定。,造斜强度越大，曲率半径越小，曲线段长度也越小，有利于节省进尺；,若造斜强度太大，则钻具、甚至造斜钻具本身难以通过曲线段孔段。,通常造斜强度以0.5/为宜。,第一章 定向钻孔轨迹设计,第三节 定向钻孔孔身轨迹设计的原则和内容,二、设计的主要内容,6、确定定向孔孔身轨迹参数,在靶点、靶区和范围、遇层角、造斜点、分枝点、曲线段曲率半径等初步确定的情况下，可进一步确定定向孔其它轨迹参数。,这些参数包括：,（1）各孔段长度；,（2）各孔段起点和终点的顶角、方位角；,（3）各孔段起点和终点的垂深和水平位移；,（4）靶点的孔深、顶角、方位角。,7、进行经济效益预估,第一章 定向钻孔轨迹设计,第三节 定向钻孔孔身轨迹设计的原则和内容,三、设计方法,定向钻孔的设计方法有两种。,1、绘图法,通过简单的计算或查表，绘出孔身轴线垂直平面图、水平投影图。然后，根据这些图测量或计算出定向孔的各项数据。,2、计算法,根据公式计算出绘图所需的数据，然后，根据这些数据绘图。,第一章 定向钻孔轨迹设计,第四节 初级定向孔孔身轨迹设计方法,一、研究钻孔自然弯曲趋势的方法,研究钻孔自然弯曲趋势通常采用统计作图法和相关分析法。,进行统计作图法和相关分析，下列条件应该基本相同：,（1）岩石性质和岩层产状,（2）钻孔结构和开孔角度,（3）钻探设备和管材,（4）钻进方法和碎岩工具,（5）钻进规程参数和工艺技术措施,研究结果只适应于同类条件。,第一章 定向钻孔轨迹设计,第四节 初级定向孔孔身轨迹设计方法,一、研究钻孔自然弯曲趋势的方法,1、统计作图法,实质：获得孔身自然弯曲趋势的孔身轨迹的垂直投影和水平投影。,步骤：,（1）对矿区已竣工的钻孔进行分组统计，计算每组中钻孔每隔25 或50的顶角和方位角；,（2）求出每组钻孔各点的平均角度；,（3）建立坐标系：开孔点为坐标原点，地下方向为z轴方向，x轴方向 为勘探线方向，y轴方向为垂直于勘探线方向；,第一章 定向钻孔轨迹设计,第四节 初级定向孔孔身轨迹设计方法,一、研究钻孔自然弯曲趋势的方法,1、统计作图法,实质：获得孔身自然弯曲趋势的孔身轨迹的垂直投影和水平投影。,步骤：,（4）选用一种处理孔斜数据的方法，计算各点的x、y、z坐标增量 和累计值。,（5）以一定的比例尺绘出孔身轨迹在勘探线剖面上的投影和在水平 面上的投影。,这两个投影就是反映钻孔自然弯曲规律的标准曲线。,第一章 定向钻孔轨迹设计,第四节 初级定向孔孔身轨迹设计方法,一、研究钻孔自然弯曲趋势的方法,2、相关分析法（回归分析法）,利用数理统计原理，求出反映钻孔弯曲趋势的回归方程（即数学模型）。,一般设孔深为自变量，顶角、方位角为因变量，建立回归方程式：,以此反映钻孔顶角、方位角随孔深而变化的规律。,第一章 定向钻孔轨迹设计,第四节 初级定向孔孔身轨迹设计方法,一、研究钻孔自然弯曲趋势的方法,2、相关分析法（回归分析法）,相关分析法建立数学模型的步骤：,（1）对地质与工艺条件相同的一组钻孔，按一定间距计算出 平均顶角和平均方位角；,（2）绘出钻孔顶角、方位角随孔深变化的趋势曲线；,（3）选择一定的方程式对曲线进行拟合；,（4）利用得到的方程进行初级定向孔设计。,第一章 定向钻孔轨迹设计,第四节 初级定向孔孔身轨迹设计方法,一、研究钻孔自然弯曲趋势的方法,2、相关分析法（回归分析法）,进行曲线拟合时，令,或,自变量,变量,若x与y是线性关系，则拟合方程式为：,若x与y是非线性关系，则需转化为线性关系。,第一章 定向钻孔轨迹设计,第四节 初级定向孔孔身轨迹设计方法,一、研究钻孔自然弯曲趋势的方法,2、相关分析法（回归分析法）,指数关系：,则取对数得：,令,则,第一章 定向钻孔轨迹设计,第四节 初级定向孔孔身轨迹设计方法,一、研究钻孔自然弯曲趋势的方法,2、相关分析法（回归分析法）,幂函数关系：,则取对数得：,令,则,第一章 定向钻孔轨迹设计,第四节 初级定向孔孔身轨迹设计方法,一、研究钻孔自然弯曲趋势的方法,2、相关分析法（回归分析法）,若x与y之间是抛物线关系，即,令,则,第一章 定向钻孔轨迹设计,第四节 初级定向孔孔身轨迹设计方法,一、研究钻孔自然弯曲趋势的方法,2、相关分析法（回归分析法）,上述方程式中，a与b称为回归系数。,根据最小二乘法确定a与b的数值。,各点的实测值,平均值,测点数（样本数）,第一章 定向钻孔轨迹设计,第四节 初级定向孔孔身轨迹设计方法,一、研究钻孔自然弯曲趋势的方法,2、相关分析法（回归分析法）,在回归分析中，不仅要求按实测数据拟出回归方程，同时还要求检验各变量间联系的密切程度，此密切程度可用相关系数 表示。,0,1，越接近于1，表示x与y线性关系越密切。,值低于某一临界值时，相关系数即不显著，,此临界值可根据信度要求及样本数多少，从相关系数检验表中查得。,第一章 定向钻孔轨迹设计,第四节 初级定向孔孔身轨迹设计方法,一、研究钻孔自然弯曲趋势的方法,2、相关分析法（回归分析法）,只要令,则上述多项式就可化成多元线性回归方程式，即,如果某一矿区钻孔顶角和方位角随孔深而变化，难以选择合适的回归曲线类型时，可采用多项式来作回归方程。,因为多项式可以拟合非常广泛的曲线。,，,第一章 定向钻孔轨迹设计,第四节 初级定向孔孔身轨迹设计方法,二、利用钻孔自然弯曲趋势设计初级定向孔,1、标准曲线法,用标准曲线法设计初级定向孔实质就是利用这些标准曲线确定新孔的孔身轨迹和开孔位置。,设计矿区钻孔顶角变化，方位角不变，只用垂直平面上标准曲线；,设计矿区钻孔顶角不变，方位角变化，只用水平平面上标准曲线；,设计矿区钻孔顶角和方位角都变化，则用垂直和水平平面两个标准曲线。,第一章 定向钻孔轨迹设计,第四节 初级定向孔孔身轨迹设计方法,二、利用钻孔自然弯曲趋势设计初级定向孔,1、标准曲线法,标准曲线法设计步骤：,（1）将垂直平面标准曲线透明纸蒙在勘探线剖面上，使标准曲线 原点O与设计开孔点O重合；,（2）沿水平线移动透明纸，直到标准曲线与设计见矿点T相交，此时标准曲线与地面交于O1，O1 O的水平距OO就是新 孔位沿勘探线方向应该移动的距离；,（3）将水平平面上标准曲线透明纸蒙在水平面（地质平面）图上，使此标准曲线原点O与O1点的水平投影O1 重合；,第一章 定向钻孔轨迹设计,第四节 初级定向孔孔身轨迹设计方法,二、利用钻孔自然弯曲趋势设计初级定向孔,1、标准曲线法,标准曲线法设计步骤：,（3）将水平平面上标准曲线透明纸蒙在水平面（地质平面）图上，使此标准曲线原点O与O1点的水平投影O1 重合；,（4）沿垂直于勘探线方向移动透明纸，直到标准曲线与设计见矿 点T的水平投影 T 相交，此时标准曲线原点新处的位置O2 就 是最终确定的新孔位。O1 O2是新孔位离开勘探线的距离。,第一章 定向钻孔轨迹设计,第四节 初级定向孔孔身轨迹设计方法,二、利用钻孔自然弯曲趋势设计初级定向孔,1、标准曲线法,标准曲线法设计步骤：,（4）沿垂直于勘探线方向移动透明纸，直到标准曲线与设计见矿 点T的水平投影 T 相交，此时标准曲线原点新处的位置O2 就 是最终确定的新孔位。O1 O2是新孔位离开勘探线的距离。,用标准曲线法设计初级定向孔时，除采取平移法之外，还可采用扭角法。,即孔位不变，通过改变新孔开孔的顶角和方位角，使钻孔轴线穿过原来见矿点。,第一章 定向钻孔轨迹设计,第四节 初级定向孔孔身轨迹设计方法,二、利用钻孔自然弯曲趋势设计初级定向孔,2、回归方程法,若设计矿区钻孔顶角变化，方位角不变，只用,若设计矿区钻孔顶角不变，方位角变化，只用,若设计矿区钻孔顶角和方位角都变化，则用,回归方程；,回归方程；,两个回归方程。,第一章 定向钻孔轨迹设计,第四节 初级定向孔孔身轨迹设计方法,二、利用钻孔自然弯曲趋势设计初级定向孔,2、回归方程法,设计步骤：,（1）计算相同条件下一组钻孔各孔段测点的平均顶角和平均方位角，建立,两个回归方程。,确立坐标系：,原点O,开孔点,X轴,Z轴,Y轴,勘探线方向,垂直于勘探线方向,地下方向,方位角以勘探线方向为起点计算的，即各测点方位角与勘探线方位角的差值。,第一章 定向钻孔轨迹设计,第四节 初级定向孔孔身轨迹设计方法,二、利用钻孔自然弯曲趋势设计初级定向孔,2、回归方程法,设计步骤：,（2）根据所求得的回归方程计算不同孔深的顶角和方位角。,第一章 定向钻孔轨迹设计,第四节 初级定向孔孔身轨迹设计方法,二、利用钻孔自然弯曲趋势设计初级定向孔,2、回归方程法,设计步骤：,（3）根据各孔段的孔深增量、顶角、方位角，计算出不同孔深 下的 x、y、z坐标。,计算点坐标,上一点坐标,计算点与上一点孔深,计算点与上一点顶角,计算点与上一点方位角,第一章 定向钻孔轨迹设计,第四节 初级定向孔孔身轨迹设计方法,二、利用钻孔自然弯曲趋势设计初级定向孔,2、回归方程法,设计步骤：,（4）根据新设计初级定向孔见矿点的垂深,计算出见矿点T的孔深,、终孔顶角,和终孔方位角,若设计见矿点T的垂深,在,和,之间，则见矿点孔深,必定在,和,之间。,若近似认为孔深增加与垂深增加成正比，则可得到：,第一章 定向钻孔轨迹设计,第四节 初级定向孔孔身轨迹设计方法,二、利用钻孔自然弯曲趋势设计初级定向孔,2、回归方程法,设计步骤：,（4）根据新设计初级定向孔见矿点的垂深,计算出见矿点T的孔深,、终孔顶角,和终孔方位角,终孔顶角,和终孔方位角,可通过,代入,两个回归方程式求得。,第一章 定向钻孔轨迹设计,第四节 初级定向孔孔身轨迹设计方法,二、利用钻孔自然弯曲趋势设计初级定向孔,2、回归方程法,设计步骤：,（5）根据孔深,，计算出见矿点沿勘探线方位的偏距（对原点而言）和垂直勘探线方向上的偏距。,这些偏距也就是为了保证钻孔在原设计见矿点穿过矿层，将来开孔点要移动的距离。,第一章 定向钻孔轨迹设计,第四节 初级定向孔孔身轨迹设计方法,二、利用钻孔自然弯曲趋势设计初级定向孔,2、回归方程法,设计步骤：,（6）如果地形造成开孔点地面标高与设计见矿点垂直上方的 地面标高相差较大时，则应开孔点位置、开孔顶角、开 孔方位角和钻孔深进行修正计算。,一般认为，孔深增减与垂深增减成比例，则有：,孔深增量或减量,钻孔开孔点以下第一计算点孔深,钻孔开孔点以下第一计算点垂深,标高增量或减量,开孔点标高低于见矿点垂直上方地面标高时,取负值，否则取正值。,第一章 定向钻孔轨迹设计,第四节 初级定向孔孔身轨迹设计方法,二、利用钻孔自然弯曲趋势设计初级定向孔,2、回归方程法,设计步骤：,（6）如果地形造成开孔点地面标高与设计见矿点垂直上方的 地面标高相差较大时，则应开孔点位置、开孔顶角、开 孔方位角和钻孔深进行修正计算。,修正后的孔深：,原来计算出的见矿点孔深,第一章 定向钻孔轨迹设计,第四节 初级定向孔孔身轨迹设计方法,二、利用钻孔自然弯曲趋势设计初级定向孔,2、回归方程法,设计步骤：,（6）如果地形造成开孔点地面标高与设计见矿点垂直上方的 地面标高相差较大时，则应开孔点位置、开孔顶角、开 孔方位角和钻孔深进行修正计算。,修正后的开孔顶角,和方位角,第一章 定向钻孔轨迹设计,第四节 初级定向孔孔身轨迹设计方法,二、利用钻孔自然弯曲趋势设计初级定向孔,2、回归方程法,设计步骤：,（6）如果地形造成开孔点地面标高与设计见矿点垂直上方的 地面标高相差较大时，则应开孔点位置、开孔顶角、开 孔方位角和钻孔深进行修正计算。,修正后开孔点的位置：,第一章 定向钻孔轨迹设计,第四节 初级定向孔孔身轨迹设计方法,二、利用钻孔自然弯曲趋势设计初级定向孔,例某矿区大致相同的地质条件与技术条件下完工了一批钻孔，按不同孔深求出的钻孔顶角和方位角的平均值如表所列，勘探线方位角90。求反映该矿区钻孔自然弯曲趋势的回归方程，并设计一初级定向孔。给定见矿点垂深为380，计算开孔位置、开孔顶角和方位角、钻孔深、终孔顶角和方位角。如计算出来的开孔点地面标高比见矿点垂直上方地面标高低20，问上述数据如何修正。,第一章 定向钻孔轨迹设计,第四节 初级定向孔孔身轨迹设计方法,二、利用钻孔自然弯曲趋势设计初级定向孔,解：1、求,回归方程,在直角坐标系中粗绘,，发现诸点基本呈一直线分布，,因此，可用直线方程,进行拟合。,令,则,第一章 定向钻孔轨迹设计,第四节 初级定向孔孔身轨迹设计方法,二、利用钻孔自然弯曲趋势设计初级定向孔,解：1、求,回归方程,在直角坐标系中粗绘,，发现诸点基本呈一直线分布，,因此，可用直线方程,进行拟合。,令,第一章 定向钻孔轨迹设计,第四节 初级定向孔孔身轨迹设计方法,二、利用钻孔自然弯曲趋势设计初级定向孔,解：1、求,回归方程,在直角坐标系中粗绘,，发现诸点基本呈一直线分布，,因此，可用直线方程,进行拟合。,于是得到回归方程：,即,第一章 定向钻孔轨迹设计,第四节 初级定向孔孔身轨迹设计方法,二、利用钻孔自然弯曲趋势设计初级定向孔,解：1、求,回归方程,相关系数,查表,信度,即,0.7348，因此求出回归方程具有代表性。,第一章 定向钻孔轨迹设计,第四节 初级定向孔孔身轨迹设计方法,二、利用钻孔自然弯曲趋势设计初级定向孔,解：1、求,回归方程,再求,用抛物线方程,进行拟合,令,则,第一章 定向钻孔轨迹设计,第四节 初级定向孔孔身轨迹设计方法,二、利用钻孔自然弯曲趋势设计初级定向孔,解：1、求,回归方程,再求,用抛物线方程,进行拟合,计算得：,于是得到回归方程：,第一章 定向钻孔轨迹设计,第四节 初级定向孔孔身轨迹设计方法,二、利用钻孔自然弯曲趋势设计初级定向孔,解：1、求,回归方程,相关系数,查表,信度,即,0.7348，因此求出回归方程具有代表性。,第一章 定向钻孔轨迹设计,第四节 初级定向孔孔身轨迹设计方法,二、利用钻孔自然弯曲趋势设计初级定向孔,解：2、根据钻孔自然弯曲趋势,计算不同孔深下的顶角、方位角。,孔深0 50 100150 200 250300 350 400 顶角 6.2 7.48.7 9.9 11.212.413.614.916.1方位角-0.238.111.614.216.518.420.221.923.4,第一章 定向钻孔轨迹设计,第四节 初级定向孔孔身轨迹设计方法,二、利用钻孔自然弯曲趋势设计初级定向孔,解：3、根据不同孔深下的顶角和方位角计算出各点的x、y、z坐标。,孔深（）0 50 100 150 200 250 300 350 400平均顶角 6.8 8.05 9.3 10.5511.8 13.0 14.25 15.5平均方位角 4.0 9.9 13 15.4 17.5 19.3 20.1 22.7Xn（）05.9112.8 20.729.5 39.3 49.9 61.5 73.8Yn（）00.411.61 3.415.83 8.9 12.6 16.8 22.0Zn（）049.799.2 148.5 197.7 246.6295.3 343.8 392.0,第一章 定向钻孔轨迹设计,第四节 初级定向孔孔身轨迹设计方法,二、利用钻孔自然弯曲趋势设计初级定向孔,解：4、根据见矿点垂深Zt=380m，计算钻孔深度,、终孔顶角,和终孔方位角,（）,（）,（）,第一章 定向钻孔轨迹设计,第四节 初级定向孔孔身轨迹设计方法,二、利用钻孔自然弯曲趋势设计初级定向孔,解：5、根据计算出见矿点孔深，计算出见矿点偏距，即是将来 开孔点要移动的距离。,（）,（）,第一章 定向钻孔轨迹设计,第四节 初级定向孔孔身轨迹设计方法,二、利用钻孔自然弯曲趋势设计初级定向孔,解：6、由于计算出来的开孔点地面标高比见矿点垂直上方地面 标高低20，故对钻孔参数应进行修正。,（）,（）,钻孔深度减量：,第一章 定向钻孔轨迹设计,第四节 初级定向孔孔身轨迹设计方法,二、利用钻孔自然弯曲趋势设计初级定向孔,解：6、由于计算出来的开孔点地面标高比见矿点垂直上方地面 标高低20，故对钻孔参数应进行修正。,修正后开孔顶角和方位角：,第一章 定向钻孔轨迹设计,第四节 初级定向孔孔身轨迹设计方法,二、利用钻孔自然弯曲趋势设计初级定向孔,解：6、由于计算出来的开孔点地面标高比见矿点垂直上方地面 标高低20，故对钻孔参数应进行修正。,（）,（）,修正后开孔点移动距离：,第一章 定向钻孔轨迹设计,第五节 受控定向孔孔身轨迹设计方法,在钻探和钻井实践中，为了施工控制方便，一般都把受控定向孔的孔身轨迹设计在垂直平面内。,即孔身轨迹只有顶角变化，而无方位角变化。,在孔身轨迹设计计算之前，已知孔口坐标，靶点坐标，造斜点或分枝点垂深及曲线段弯强。,孔口坐标，靶点坐标,造斜点或分枝点垂深及曲线段弯强,由地质技术人员或工程性质确定,由钻探技术人员确定,第一章 定向钻孔轨迹设计,第五节 受控定向孔孔身轨迹设计方法,一、直线曲线型孔身轨迹设计计算,已知开孔点O，靶点垂深H和水平位移S，造斜点深度L1，开孔顶角0，矿层倾角。,计算曲线段弯曲角和弯强i，靶点（见矿点）顶角t，钻孔遇层角和钻孔深度L。,第一章 定向钻孔轨迹设计,第五节 受控定向孔孔身轨迹设计方法,二、直线曲线直线型孔身轨迹设计计算,已知开孔点O，靶点垂深H和水平位移S，开孔顶角0，曲线段弯强i和造斜点深度L1，矿层倾角。,计算曲线段弯曲角，靶点（见矿点）顶角t，钻孔遇层角和钻孔深度L。,第一章 定向钻孔轨迹设计,第五节 受控定向孔孔身轨迹设计方法,三、直线曲线曲线型孔身轨迹设计计算,已知开孔点O，靶点垂深H和水平位移S，开孔顶角0，直线段孔深L1，第一曲线段弯强i1和第二曲线段弯强i2，矿层倾角。,计算第一曲线段弯曲角1，第二曲线段弯曲角2，靶点（见矿点）顶角t，钻孔遇层角和钻孔深度L。,第二章 定向钻孔施工工艺,第二章 定向钻孔施工工艺,第一节 定向钻孔施工准备工作,一、确定钻孔轨迹形式和钻孔结构,1、确定钻孔轨迹形式,钻孔轨迹形式尽量采用简单的形式：,（1）优选平面弯曲型，钻孔轨迹尽可能设计在垂直平面内,（2）弯曲段最好单一,（3）在条件允许情况下，尽可能多打分枝定向孔,第二章 定向钻孔施工工艺,第一节 定向钻孔施工准备工作,二、选用造斜工具、定向仪和专用钻头,1、造斜工具（5种）,钻具组合（BHA）,造斜楔（whipstock/deflecting wedge）,连续造斜器（continuous whipstock）,孔底动力机（down-hole motor）,喷射钻头（jet bit）,第二章 定向钻孔施工工艺,第一节 定向钻孔施工准备工作,二、选用造斜工具、定向仪和专用钻头,2、定向仪器,定向仪器选用与造斜工具类型、钻孔顶角的大小及钻孔条件等因素有密切关系。,（1）除孔底动力机造斜钻具造斜时可采用随钻定向外，其余四种 只能进行钻前定向。,（2）直孔或顶角小于3 采用直接定向方法和仪器。定向精度高，花费时间少；,顶角大于3 采用间接定向器具和仪表。,（3）裸孔或远离套管孔段测斜和定向时，可采用罗盘磁针或磁通门 传感器的测量仪器。,在钻杆内进行测量，仪器工作必须在非磁管内。,第二章 定向钻孔施工工艺,第一节 定向钻孔施工准备工作,二、选用造斜工具、定向仪和专用钻头,3、专用钻头,（1）外径切削性好,（2）钻头侧移性好,（3）避开中心“死点”,（4）排除岩粉性好,采用特殊结构的金刚石钻头、硬质合金钻头或牙轮钻头。,对这些钻头的要求是：,第二章 定向钻孔施工工艺,第一节 定向钻孔施工准备工作,三、选择造斜点,1、首先要保证实现地质或工程目的,合理选择造斜点是保证顺利造斜以及造斜后安全钻进的重要问题。,确定造斜点应注意以下几个方面因素：,造斜部位浅：终孔点可获得较大的水平位移，但较长的孔段 处于稳斜或连续造斜的施工过程中，这样降低 钻进效率中，增加发生孔内事故的机会。,造斜部位深：浅部打垂直孔，有利于快速钻进，但是终孔点 的水平偏距小。,第二章 定向钻孔施工工艺,第一节 定向钻孔施工准备工作,三、选择造斜点,2、造斜点的选择尽可能使钻孔的定向延伸利用自然造斜规律，尽量减少人工造斜工作量。,合理选择造斜点是保证顺利造斜以及造斜后安全钻进的重要问题。,确定造斜点应注意以下几个方面因素：,3、造斜点应选在孔壁完整和稳定的部位，以利于造斜器在孔内 的固定，不致产生移动和转动。,4、造斜点附近的岩层不宜太硬，也不宜太软。,一方面利于导斜和扩孔；另一方面利于造斜器可靠地固定。,第二章 定向钻孔施工工艺,第一节 定向钻孔施工准备工作,四、清理孔底和架桥,进行定向造斜时，如果造斜点选在孔底，必须清理孔底；如果造斜点选在钻孔中部，则事先必须架桥，建立人工孔底。,便于下造斜工具，并牢固固定在孔底。,清理孔底的目的：,除去孔底残留岩心,排除孔底堆积的岩粉,磨平孔底,修正孔底邻近的孔壁,建立人工孔底或“架桥”的目的：,堵塞下部孔段，以便在钻孔中部给造斜工具的安装与固定提供一个坚固的基础。,第二章 定向钻孔施工工艺,第一节 定向钻孔施工准备工作,四、清理孔底和架桥,进行定向造斜时，如果造斜点选在孔底，必须清理孔底；如果造斜点选在钻孔中部，则事先必须架桥，建立人工孔底。,建立人工孔底有四种方法：,（1）用惰性材料（砂子、砾石、碎石）或胶结材料（水泥、合成树脂）充填钻孔。,不受孔径限制，操作麻烦，消耗材料多。,（2）用木塞“架桥”，然后充填碎石。,操作、取材方便，牢固性较差。,（3）用金属“架桥”装置，堵塞钻孔。,（4）用钻杆支撑偏心楔，使造斜点抬高。,广泛采用，迅速、经济，适应于孔径规则。,主要适应于补取矿心，钻孔取大样及施工较浅的分枝孔。,第二章 定向钻孔施工工艺,第一节 定向钻孔施工准备工作,五、定向安装和固定偏心楔（或造斜器）,1、定向安装工艺,定向安装和固定偏心楔（或造斜器）是人工造斜实现定向钻进的重要工序。其质量好坏将直接影响定向孔施工能否满足设计要求。,首先根据造斜要求计算好安装角，按照具体的施工条件定出适当的修正值，最终确定出装合角。,然后根据钻孔情况、钻进方法、造斜方法、造斜设备、操作技术水平等因素选择定向方法和定向工具。,第二章 定向钻孔施工工艺,第一节 定向钻孔施工准备工作,五、